导读:在新年伊始,人人都感叹“时间如流水、转瞬又一年”;当佳节来临,远方的亲人也常说“海上生明月、天涯共此时”。然而,时间是什么?我们又是否共同拥有此时此刻?
牛顿说,时间是绝对的,对每个人都一视同仁;
爱因斯坦说,时间是相对的,时间对每个人都不一样;
莱布尼茨对于时间的观点,虽与同时代的牛顿相悖,却在几百年后被爱因斯坦的理论所证明;莱布尼茨认为,时间是一种因果关系——这正好基于“光速为宇宙中速度的极限”的假设;
有趣的是,熵增定律同样背书了莱布尼茨的观点,因为,只要时间是一种因果关系,时间就不可能倒流。
古今中外,有多少哲学、科学家对时间刨根问底,追问时间的本质?物理学家卡洛·罗韦利甚至大胆地提出,时间根本就不存在。
虽然,当我们仰望星空,看到的并非此时此刻的宇宙图景,但那璀璨的星云却足以让人震撼、使人谦卑。
也许,时间只是一种虚拟、一种感觉。也许,钟表和日历的时间,只是人生这道几何题里的一条条辅助线。
因为,时间意义是每个人自己赋予的。是我们自己用爱和创造,让时间变得灵动丰满,让生命变得意义非凡。
时间的本质
文 | 立峰
1、时间:敌人 or 朋友?
也有人把时间看成朋友,正如发誓连做20年“跨年演讲”的某胖所说——做时间的朋友。
而关于时间的乘数效应,网上还有过这么个段子:
小明在年终岁末制定来年的目标时,只打算每天多努力一点点,每天提升1%。365天以后结果会怎么样呢?答案是——他的绩效将会是原来的37.8倍;
然而,现实中的小明不但没更努力,每天还偷懒了1%。那么365天后,他的绩效只剩了原来的0.03。
多1%和少1%,一开始不过是0.02的差别,但若放到一个非线性系统里不断累加,结果却能差出惊人的一千多倍。
足以让人领教,什么叫做时间的力量。
2、逝者如斯
那么。时间究竟是朋友还是敌人?这也许因人而异。但我们都生活在时间里,每到年关岁末,免不了感慨时光飞逝。
比如两千多年前的孔子,就曾看着河水说:逝者如斯。
其实孔子的时间观,与科学大牛牛顿别无二致,他们都认为,时间始终在指向未来、均匀流动。而这,也是绝大多数现代人对时间的基本感受。因而,时间似乎对所有人都是平等的。比如:
在牛顿定义的机械宇宙里,时间好像被上了锁,人们每天都按时起床、工作、吃饭、睡觉。即便你不看钟表,人也会遵循内置于人体的生物钟来新陈代谢、规律作息。
所以,无论高低贵贱,每个人都是时间的仆人。
1、地球看起来是个平面,但实际却是个球体;
2、太阳看似在围着地球转,但其实是地球在围着太阳转。
3、而真正的时间,也远非均匀流动,它可快可慢、可长可短。
从爱因斯坦开始,科学家就不断发现,时间与人的感知不同,是处于不断变化中的。宇宙大爆炸理论说,时间有始有终;有人甚至断言,时间在某种意义上也许根本就不存在。
3、牛顿的绝对时间
从古人用的日晷、到教堂的大钟;从只能显示粗略时间的老式座钟,到后来精准度极高的机械钟表。
农业时代的人们只需要知道大概的时间;但自欧洲进入工业愅命,随着精准计时器具的发明推广,人们越来越依赖精准的时间来掌控一切,工作生活也慢慢被时钟所支配,时间真的变成了金钱。
与牛顿一样,当时的人们几乎都自然而然地接受了时间具有绝对性的观点,认为时间是一种永恒不变、不被干扰的存在;时间的流逝与外界一切事物无关。因而,人人都平等地成了时间的仆人。
除了绝对时间,牛顿还发明了一个绝对空间的概念。比如:
这就是长久以来被奉为圭臬的牛顿的绝对时空观,而且,似乎所有的实验观察也都有力地证明了这个观点。
绝对时空就像一个巨大的舞台,无论是地球上的人或物体,还是所有的行星、恒星、乃至银河系,都是在同一舞台上表演的演员。人们认为,整个宇宙都在一个统一的时空背景下,有条不紊地运转着。
4、时间是相对的
然而,到20世纪初,牛顿的绝对时空观终于玩不转了。因为爱因斯坦首先发现了其中的悖论,即:
如果时间是绝对的,与物质没有任何关系,就会陷入一个巨大的矛盾中——这个矛盾就来自光速不变现象。因为,
但当科学家测量光速时,例外却出现了,他们发现:
而所有的实验都表明,光速恒定是一个客观事实,不容质疑。
于是,唯一的解释就成了:物体的运动速度,会扭曲它自身所处的时空。也就是说,人在高速飞船上时,他所处的时空被扭曲了。
这就是爱因斯坦的狭义相对论:一个人的运动速度越快,他的时间流速就越慢。比如:
如果你以0.99倍光速飞奔,那么地面的钟表的钟秒针跳动7下,你手表上的秒针就只跳动1下。也就是说,你的时间变慢了。
但这只是一个思想实验。因为现实中人绝不可能接近光速。我们通常认为,國际空间站环绕地球高速运行时,空间站里宇航员的时间就会变慢。——这个基本判断没有问题,但细算下来:
虽然宇航员的速度约为28万公里/每小时,已经足够惊人。但这个速度只能让他们每年的时间变慢10.4毫秒,也就是大约0.01秒。
这样的细微差距,显然是人无法感知的。然而,对于接近光速的微观粒子来说,速度对其时间的改变却相当可观。比如:
物理实验中用到的质子加速器,在加速质子时,为了使其接近光速,要进行反复推进,所以实验时间会持续很久。但是这个过程对加速器里高速飞行的质子来说,却只是一个短暂瞬间。
因为,质子在被加速的过程中,速度会逐渐接近光速,从光速的99%,到99.9%,再到99.99%… 但质子速度越快,它的时间流速就会越慢。
在外界看来,质子明明在加速器里运动了24小时;但对质子来说却只是短暂的10多秒。——这就是爱因斯坦狭义相对论的效应。
狭义相对论还告诉人们:
1、只有没有质量的东西,比如光子,才能以光速运动,但对有质量的东西,光速即是极限,只能无限接近但永远也达不到。
2、如果有能量持续地为某物体加速,它的能量会增长、速度会增加。但当其速度接近光速,外来能量就会变成物体的质量。
即速度越快,质量越大。质量和能量会相互转换,这就是质能公式E=mc²。
而爱因斯坦的广义相对论,则在此基础上进一步揭示了时空的本质。即:
1、一个物体只要有能量或质量,就会扭曲时间和空间。扭曲程度随物体能量或质量的大小而变化。空间扭曲越多,时间流动就越慢。
2、时间和空间紧密相关、彼此依存,两者都不能独立存在。
比如,电影《星际穿越》中的情节:
当主人公来到一颗位于黑洞附近的星球时,因为黑洞的巨大质量扭曲了时空,他们虽然只在那里停留了几个小时,地球上却已经过去了好几十年。
如果主人公真的决定进入黑洞冒险,那么在外界看来,他们越接近黑洞,手上的表就会越慢;当他们抵达黑洞边界的瞬间,将会彻底停留在那一动不动,手表也不再前进一分一秒,直到永远。他们似乎走向了时间的终点。
其实,现实中很多现象也能证明爱因斯坦的广义相对论。比如,
把高度精确的计时器放在喜马拉雅的山顶,或放在太平洋的海面,你会发现,在海面上的时间相比于高山上流速更慢。——因为海平面的时空扭曲度较山顶更高。
而在日常生活中,GPS卫星因在高空绕地球飞行,它的时间相比于地面就会有微小差距,如不加以调整,将导致好几公里的误差。
太阳使周围的空间弯曲,地球和行星围绕太阳旋转,并非因为什么神秘的引力,而是在被太阳弯曲的倾斜空间中,沿直线运动。
而月亮之所以围着地球转,苹果之所以会下落,正是因为它们所处的空间被弯曲了。正如在漏斗中转动的珠子:是漏斗壁的弯曲使珠子旋转,而不是漏斗的中心存在什么神秘的力。
这是对世界的极大简化。牛顿的所谓“绝对空间”并不存在,空间其实是一种物质的场,就像磁铁周围会产生磁场,任何物质的周围都会产生引力场。因而,空间是物质自带的一种属性。
1、时间是相对的。
2、万有引力并不存在。
这短短几句话,也是霍金在畅销书《时间简史》中所涉及的基本观点。
因而,如果爱因斯坦的相对论成立,我们就能得出以下关于时间的结论:
1、当物质的运动速度不同时,它们自身的时间流速就不一样。
2、因为宇宙中每个点的空间扭曲程度都不一样,所以,每个点的时间流速也各不相同。
这之所以与直觉不符,是因为日常生活中所有物体的速度都远小于光速,而所处空间的扭曲程度也差不多,对时间流速的影响太小,小到难以觉察。
5、此时此刻 并不存在
每逢佳节,世界各地的华人在思念故乡亲人时,多半会蹦出一句“天涯共此时”的感慨。
然而在世界各地,人们不但各自身处不同时区,而且,因为光的传播需要时间,所以,彼此永远无法真正拥有同一个当下,比如:
1、即便两个人在一起,只要抬眼就能看见对方;或是身处异乡之人,打个电话就能听到对方;他们看到、听到的也并非此时此刻的对方吗。因为,
这虽然不难理解,但似乎没啥意义,因为日常生活中,没有人在乎这些细微差别。
2、那么,假如我在另一颗遥远的星球上呢?光从我这里到你那里,动辄要几年时间。假设你用望远镜能看到我,看到的也只是几年前的我。
因而,在宏观尺度下,时间还有另一个重要特点,那就是它的局部性。
因为光速是宇宙中速度的极限,每秒能绕地球飞8圈,因而光年代表了一个天文数字般的距离。然而,人类目前已知的宇宙直径,就长达数百亿光年。也就是说,就算是一束光想穿越宇宙,也得花上几百亿年的时间。
因而,宇宙尺度下的时间,其局部性就更加凸显了。比如,
1、离太阳最近的恒星比邻星,距我们约4.2光年,即我们现在看到的比邻星,其实是它4年多前的样子。至于,此时此刻的比邻星长什么样子,我们得再等4年多才看得到。
2、同理,你若用望远镜观察254万光年外的仙女座星系,看到的其实是254万年前它的样子。我们可以想象:
3、因而,当我们仰望星空,无数璀璨的星光虽然同时映入眼帘,但它们却是在不同时刻发出的,只是同时抵达了地球而已。比如:
可见在宇宙尺度下,“此时此刻”没有意义,我们的时间与其他宇宙天体的时间并不共享,时间只是一种局部性的衡量指标,所以时间是局部的。
在相对论中,时间不能与空间分开讨论。当我们说“天涯共此时”时,只考虑了时间,而并没有考虑空间。
其实,宇宙中并不存在一个共同的“现在”。我们所说的“现在”,不过是人类根据经验得到的一种模糊感受。
没错,随着相对论和量子力学的发展,让人类逐渐了解了时间的真相,接近了时间的本质。比如:
1、逝者如斯,这仅是一种经验和感觉,时间并非永恒不变,而是可长可短。
2、宇宙中也不存在统一的时间,时间非常非常多:不同物质因为自身速度与所处空间的弯曲程度不同,各自时间的流速也不一样;
3、在宇宙中的不同位置,因为光的传播需要时间,所以无法共享此时此刻,时间是局部的。身在“天涯”的人们并不能“共享此时”。
6、时间是一种因果关系
关于时间,有位与牛顿同时代的哲学家莱布尼茨,在300多年以前就有过完全不同的思考。莱布尼茨不认可牛顿的绝对时间,他认为时间是一种“思想物”,不能脱离人的意识存在。
简单说,莱布尼茨是通过梳理事件的因果关系和发展顺序来理解时间的,他认为,时间并非问题的本质,事件背后因果关系的传递才是。比如:
宇宙中发生的一系列事件,就像多米诺骨牌,前一张牌倒下,会作用于后一张牌,以此类推。前者倒下是“因”,而后者倒下是“果”,因果关系像骨牌一样逐张传递下去。而人对时间流逝的感受,就是这种因果关系的传递。
虽然,牛顿的绝对时间观曾占据绝对主流,但到了20世纪,科学界却开始拥抱莱布尼茨关于时间的观念。比如热衷思考“追光问题”的爱因斯坦,就想象过这样一个场景:
假设存在一种超光速的激光。并有人用一把激光枪向你发射出一束这种激光。因为它的速度比光还快,所以,你会在看到他发射以前,就被这束激光给击中了。
那么,问题就来了,事件的因果关系被破坏了。因为,只要激光速度足够的快,它就可能在出发之前就到达了目的地。
以此类推,我们还可能看到玻璃杯在掉地之前,就已经碎了;看到死者在凶手开枪之前,就已经死了……一旦有物质的速度超过光速,这些荒诞的场景都会出现。
而爱因斯坦在其物理体系中引入“光速不变”的假定,也正是考虑到了这层因素。光速是宇宙中速度的极限,而且不会叠加。这样,所有到因果关系才不至于发生错乱。
然而,只要光速不变,时间就不再是“绝对”的了。因为,时间的“相对性”,正是为了维持因果关系的“绝对性”。
其实当年,莱布尼茨与牛顿几乎同时发明了微积分。但因当时牛顿的物理体系太过成功,莱布尼茨的诸多观点才没得到足够重视。但在爱因斯坦之后,物理学家们却不得不抛弃了牛顿的绝对时间观,再次拥抱了莱布尼茨对于时间的理解方式。
7、时间会倒流吗?
我们都知道,破镜难圆、覆水难收,已经发生的事无法倒转,这是人对世界的基本认识。在牛顿的物理体系里,绝对的时间指向未来,是有方向的。而时间倒流的场景,只出现在科幻片里,仍然停留在想象之中。
但在物理学里,时间还有个特点叫反演不变性,也就是说:
如果已知行星现在的位置和速度,就能计算它在未来的位置和速度。但也可以倒过来算它在过去的位置和速度,这就叫反演。
既然正向和反向都行,那为什么一面指向未来,另一面就是过去呢?为什么我们觉得时间有方向呢?因为:
从经典力学角度,一个匀速直线运动的小球,若时间倒流,它会以反方向做匀速直线运动,这完全没问题。因而,在这里时间没有方向。
但是,如果球慢慢停下来了,我们就能确定,倒过来肯定不行。因为运动的小球会因摩擦力慢慢减速、直到静止。——这表明了小球的时间方向;而且,摩擦还会生热,正是热量的变化,区别了过去和未来。
4、就连我们活着慢慢变老,其实也是一个产生热量的过程。
无论何时,当我们要给时间找个方向,就会发现,它永远与热量有关系。没有热量,时间就没有的方向。
事物总是自发地从有秩序变得无秩序,而不会相反。
但是,掉在地上的盘子碎片,不会自发回到桌上,复原成一个完整的盘子,因为这违背了熵增定律,熵自不会发减小。
物理学家认为,时间的流逝和熵的增大是一回事,熵增定律在逻辑上否定了时间倒流的可能性。
8、时间并不存在?
然而,有位叫卡洛·罗韦利的物理学家,正是从熵增定律出发,提出了他最具颠覆性的观点——时间并不存在。
罗韦利做了一个大胆的推论。因为,熵的增大就是事物从有序到无序的过程。但是罗韦利却说:
有序和无序,本质上只是人的主观判断,而非客观现象,所以宇宙中其实并不存在熵增,因而也没有一种客观存在的时间。
因为,熵其实是一个相对量,什么是有序,什么是无序?在人们心中一定有一个标准或参照系。熵并非一种客观状态,而是人看待世界的一种角度或方法。因为物理学家认为:
在遥远的过去,宇宙的熵很低,世界一直处于熵增的过程中,一切都从有序走向无序,于是便有了过去和未来。
但这只是描述世界的一种方式,只是物理学家选择了这种特殊方式而已。但上帝如何创造世界是人无法想象的,仅以人类有限的眼界和认知,所能看到的也许只是宇宙中一个很小的、特殊的子集。
况且,如果我们再深入一层,追问究竟什么是热量、什么是温度呢?其实也都是极其粗糙的概念。比如:
从微观看,温度表示的是一大群分子运动的剧烈程度。也就是说,温度是一个人为制造的概念。
因为我们无法深入微观,去探究所有分子的运动,所以只能用温度这个指标来笼统概括这堆分子的状态。如果我们能深入微观,看清每一个分子的状态,温度的概念就消失了。
可见,所谓温度、热量,只是在人的信息不够时,对世界的一种粗糙认识。只要信息足够精确时,温度和热量的概念就自然消解了。
那么,既然时间的方向是热量决定的,所以时间也是人在信息不够精确时,对世界一种粗糙的认识。因此,时间并不真正存在。这就好比,
如果有个特别聪明的学霸,不用辅助线也能把问题想明白,那他的解答过程里,这条辅助线也就不存在了。
人类认识世界同样如此,如果我们能进入量子的世界,看到微观粒子的如何运行,看到物质的本质、空间的本质,时间的概念自然就被消解了。
9、时间因我们而产生
罗韦利说,没有时间并不代表一切静止。时间也许不存在,但世界上依然有事件、变化和关联。无论如何,唯一不变的,就是世界在变化。
历史上的哲学家都曾试图以静止的方式理解世界,认为世界是由一系列物体组成的。比如柏拉图在《蒂迈欧》里就描绘了一个静止的、精确的完美世界;亚里士多德也说,空间是同心的水晶球套在一起构成的。
但罗韦利说,认识世界应基于变化,而非静止。那些揭示真相的理论,不管是牛顿力学、电磁学、相对论、还是量子力学,描述的都是事件、都是变化。
而量子的世界就是不断变化的世界。从量子的视角观察,构成世界的并非物体,而是事件。人们通常所理解的物体,不过是量子世界里更长久的事件而已。比如:
即便是最坚硬的石头,其实也在变化之中。物理学家会说,石头是量子场的复杂振动;石头也可以看作力的瞬间作用,是重归尘土前短暂的平衡。
世界不再是物体的墙,而是事件的网,不断转化、无法持久。比如:
1、云不是物体,是风吹过时,空气中水蒸气的凝结,也是一种事件的集合。
2、人也不是物体,而是信息、思想、语言共同构成的复杂过程,是社会关系、情感网络中的一个结点。人也是一系列事件与变化的集合。
正如爱因斯坦曾在晚年说道:像我这样相信物理的人都知道,过去、现在与未来之间的区别,只不过是持久而固执的幻觉。
其实,爱因斯坦并非在讨论物理学里的时间本质。他的这种感受来自对生命的体验——生命脆弱、短暂、充满幻觉。他这段话的含义比物理学本身还要深刻——时间因为我们才产生。
时间是相对的,就像我们每个人,在少年、壮年和老年阶段,对于时间的长短的感受都不一样;而在日常的生活或旅行途中,我们所感受到的时间长短同样自己也都不尽相同;当我们和喜欢或不喜欢的人在一起时,对于时间的感受一定是大相径庭的。
不同的人对于时间的感受一定不同,有的人生命里充斥着垃圾时间;但也有人会因其创造、发现,或与世界的互动,而让原本苍白的时间变得意义非凡。
参考资料:
1、《时间:从永恒秩序走向量子纠缠》,作者:奎多·托内利,河北科技出版社。
2、《时间的秩序》,作者:卡洛·罗维利,湖南技术出版社;
3、《时间简史》,作者:斯蒂芬·霍金,湖南技术出版社;
4、《莱布尼茨、牛顿与发明时间》,作者:托马斯·帕多瓦,社会科学文献出版社;
5、《现实不似你所见:量子引力之旅》,作者:卡洛·罗维利,湖南技术出版社;
6、《宇宙的结构:空间、时间以及真实性的意义》,作者:布莱恩·格林,湖南技术出版社。